礦山供電網(wǎng)絡操作過電壓的產(chǎn)生原因及抑制措施

福建煤電股份有限公司 張華育

礦山供電網(wǎng)絡操作過電壓的產(chǎn)生原因及抑制措施

福建煤電股份有限公司 張華育

一、操作過電壓的產(chǎn)生原因

操作過電壓是電力系統(tǒng)中由于開關(guān)操作或事故狀態(tài)而引起的瞬間過電壓。在開關(guān)操作或事故過程中，系統(tǒng)的運行狀態(tài)發(fā)生突變（操作前后或事故前后）將引起系統(tǒng)中電容和電感的電磁場能量相互轉(zhuǎn)換，在這一過程中，電網(wǎng)局部線路可能產(chǎn)生短時間高電壓，常見的操作過電壓主要在切除空載線路時和空載線路合閘時產(chǎn)生，切除空載線路是電網(wǎng)中最常見的操作過程之一。運行經(jīng)驗表明，開關(guān)滅弧能力愈差，開關(guān)中電弧重燃的概率愈大，過電壓產(chǎn)生的可能性愈高，事故也愈大，所以重燃是產(chǎn)生過電壓的根本原因。

1.產(chǎn)生過電壓的物理過程。

式（1）中，LT為線路電感，CT為線路對地電容，L為發(fā)電機、變壓器的漏感和。

式（2）中，Xc和Xs分別為電容和電感的容抗和感抗。

忽略線路電容效應的影響，在開關(guān)K斷開之前，認為線路電壓u（t）（即電容CT上的電壓）等于電源電壓，設(shè)開關(guān)在t1時刻動作，電容CT上的電壓為－EM，此瞬間流過開關(guān)的工頻電流恰好為零，開關(guān)中發(fā)生第1次斷弧，實際上開關(guān)在此之前的工頻半周以內(nèi)的任何一個時刻動作，只要不發(fā)生切斷電流現(xiàn)象，開關(guān)中電弧總要到t1時刻才會熄滅。開關(guān)斷開后線路電容CT上的電荷將保持下來，使線路保持這個殘余電壓－EM，但開關(guān)電源側(cè)觸頭上（A）點的電壓仍按電源余弦電勢變化，開關(guān)觸頭上出現(xiàn)愈來愈高的恢復電壓UAB。即

t1為第一次斷弧，t2為第一次重燃，t3為第二次斷弧，t4為第二次重燃，t5為第三次斷弧。如果開關(guān)觸頭間去游離能力很強，電弧從此熄滅，線路被斷開，無論為在線側(cè)或線路側(cè)都不會產(chǎn)生任何過電壓。但若開關(guān)性能不良，而觸頭上的恢復電壓UAB經(jīng)0.01 s后可達2EM，在這段時間內(nèi)就有可能發(fā)生重燃。為研究最危險的過電壓情況，假定重燃發(fā)生在UAB最大時刻t2，此時UAB＝2EM，e（t2）=EM，在電弧重燃瞬時，電源電壓EM加在電感LS和具有初始值－EM的電容CT組成的振蕩電路上，回路的固有振蕩角頻率為ω0＝1/（LSCT），由于固有振蕩頻率比工頻50周大得多，可以認為在高頻振蕩瞬間電源電勢EM保持不變，即電源通過電感LS對電容CT充電的過程中，CT上電壓所達到的最高值，即線路上的過電壓的數(shù)值，忽略回路損耗所引起的電壓衰減可按下式計算；

當線路CT上電壓振蕩達到最大值3EM瞬間t3時，開關(guān)中流過的高頻振蕩電流恰好為零，這時因為回路中流過的是電容電流，因此在t3時刻電弧又將熄滅，而電弧熄滅后線路上就保持3EM的殘余電壓值。假如在t3時刻電弧不能熄滅，那就要等到高頻電流振蕩衰減后的t4時刻工頻電流過零時才會熄滅。此后觸頭之間的距離愈來愈長，則恢復電壓也愈來愈高，到t4時刻恢復電壓UAB可達4EM。如在此時再次發(fā)生重燃，CT上的初始值為3EM，穩(wěn)態(tài)值為－EM，故

假如繼續(xù)每隔半個工頻周期就重燃1次和重熄弧1次，則過電壓將是3EM，－5EM，7EM…幅值愈來愈高。

2.影響過電壓的因素。

（1）重燃的次數(shù)。重燃次數(shù)與開關(guān)性能有關(guān)。次數(shù)越多，發(fā)生高幅值過電壓的概率越大，通常油開關(guān)的重燃次數(shù)較多，有時可達4～6次，壓縮空氣開關(guān)重燃次數(shù)較少或不重燃。

（2）重燃發(fā)生的時間。如果電弧重燃發(fā)生在1/4工頻半周t0時刻之前，則基本上沒有過電壓發(fā)生。

（3）中性點的運行方式。中性點的運行方式對切除空載線路過電壓有很大影響。在中性點直接接地的電網(wǎng)中，各相有自己的獨立回路，相間電容影響不大，切空載線路過程與上面討論的情況相同。但中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地時，三相開關(guān)分閘的不同期性，會形成瞬間的不對稱電路，中性點將發(fā)生偏移，三相之間互相牽連影響，使分閘時開關(guān)中電弧燃燒和熄滅的過程變得復雜。在不利的條件下，使過電壓顯著提高，遠高出中性點接地時的過電壓。

二、操作過電壓的抑制措施

切除空載過電壓是選擇線路絕緣水平和確定電氣設(shè)備試驗要求的重要依據(jù)。及時采取措施消除或限制這種過電壓，對于保證系統(tǒng)安全運行和進一步降低電網(wǎng)絕緣水平具有現(xiàn)實意義。因此，為有效抑制這種過電壓，除選用滅弧能力強的快速開關(guān)外，還常采用以下措施：

1. 并聯(lián)電阻。即在開關(guān)主觸頭K1上并聯(lián)一定大?。s3 000 Ω）的電阻R和輔助觸頭K2，以實現(xiàn)線路的逐級開斷。在拉閘時，主觸頭K1先斷開，此時并聯(lián)電阻R1就被串聯(lián)在回路中，抑制回路中的震蕩，這時K1觸頭兩端的恢復電壓是電阻R兩端的壓降，主觸頭K1上的電弧不易重燃，同時電阻R將消耗掉線路電容中一部分能量，經(jīng)1～2個工頻周期，在觸頭K2分閘時，由于前一階段回路中的振蕩受到了抑制，線路殘余電壓又較低，過電壓也就顯著下降。

2. 線路側(cè)接電磁式電壓互感器。由于電壓升高，引起磁路飽和后，阻抗降低的泄流作用，將降低線路上的殘余電壓，從而使這種過電壓具有較低的數(shù)值。據(jù)調(diào)查，我國在220 kV線路上的試驗結(jié)果表明，線路側(cè)的電磁式互感器可使最大重燃過電壓降低約30%。與此同理，在直流接地系統(tǒng)中，當變壓器低壓側(cè)連同變壓器切除空載線路時，變壓器鐵芯的飽和對降低這種過電壓也起到一定的作用。

3. 并聯(lián)電抗器。這種方式也可以減少電弧重燃的機會。

三、結(jié)論

本文，筆者通過對礦山供電網(wǎng)絡操作過電壓產(chǎn)生的物理過程和影響因素的分析可以看出，網(wǎng)絡操作過電壓是由各式各樣的操作引起的，通過本文的討論，預測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運行都有重要意義。